生态浅层渗滤系统效果与机理

０前言

非点源污染在我国城市水体环境保护中正在成为越来越突出的问题。非点源污染控制技术是改善水环境质量的重要研究内容，其中源头污染减量研究被认为是城市非点源污染控制的首要环节［１］。生态浅层蓄渗技术因其高效快速、成本低、占地少、操作简便等优点而受到人们越来越多的关注［２］。作为最佳管理措施（ＢＭＰ）的一种，浅层渗滤技术在一些发达国家得到了很大的发展，目前已取得不少成果，也有许多实际工程运行［３，４］。本研究根据上海地区下垫层土壤结构特点，通过以上海市典型的褐黄色粉状粘土为主配比的人工土作为渗滤层，建立与其下垫层结构相应的生态浅层渗滤中试装置。并以上海市公路雨水径流为处理对象，考察渗滤系统对雨水径流长期的净化效果，分析各参数和运行条件对城市非点源污染物降解的强化效果和影响机制，并就雨水径流污染物在渗滤系统中的环境行为及净化机制进行探讨，为城市非点源污染的生态治理技术提供可借鉴的参考。

１材料与方法

本试验构建不同结构的浅层渗滤系统开展平行试验，进行路面径流污染的净化效果研究。装置均由ＰＶＣ塑料板制成，周边以加强筋固定，有效尺寸为：长×宽×高＝１．０ｍ×０．５ｍ×１．０ｍ。各处理单元从上至下每隔１０ｃｍ分别设置一个取土口和出水口。底部设置接收端口收集滤液、径流液进行水质分析。

１．１模拟渗滤系统的设计思路与方法

在模拟渗滤系统设计中，充分考虑以下问题：①根据国外已建成的生态浅层蓄渗系统的特点，上层为植物种植层，下部为排水性较好的混合土壤渗滤层；②根据南方地区地下水位高以及土层构成的特点，设置两套典型的不同结构的渗滤系统。

１．２渗滤系统的构成与试验

设置根据浅层渗滤的特点，对渗滤装置采用以下两种方法进行填充（分别记作结构１和结构２），渗滤系统土壤层结构组成如图１和图２所示。结构１：从上至下依次为种植层、土壤渗滤层和承托层（储渗）。最上部约２０ｃｍ厚的表层土是植物生长的土壤，种植具有较好脱氮效果的高羊茅（ｆｅｓ－ｔｕｃａａｒｕｎｄｉｎａｃｅａ），称之为“种植层”。“渗滤层”是雨水净化的主要作用层，由厚度约为０．３ｍ的人工混合土壤构成，底部铺设０．２ｍ厚、粒径０．２～４ｍｍ的经破碎筛分的建筑废弃物，同时起到储渗层的作用。该形式的渗滤系统底部由较厚的建筑废弃物构成，没有渗滤限制层，雨水渗滤速度较快，代表地下水平均水位大于１ｍ的区域，底部设有储渗层且渗透性能较好的浅层地下渗滤系统。根据渗滤介质的不同，该结构的渗滤系统设置３组模拟装置，分别为：①装置１：原土＋石英砂（５∶１）；②装置２：原土＋木屑（５∶１）③装置３：原土＋煤灰渣（５∶１）。填充好的三套模拟渗滤装置依次简称Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３。结构２：从上至下依次为种植层、土壤渗滤层、原状土层以及排水层。和结构１相比，最大的区别是在渗滤层的底部增加了原状土层，为了便于试验设施的排水，底部设置了排水层（砾石层），主要作用是便于排水取样。从上至下砾石的粒径从小到大，粒径范围从２～４ｍｍ增加至１６～３２ｍｍ，空隙率约为３５％。该形式的渗滤系统底部存在着渗透性能较差的原状土渗滤限制层，其特点是雨水渗滤系统下层渗透性减弱，在整个渗滤过程中渗滤速度较慢，容易在底部的渗滤层形成饱水层，利于污染物的反硝化。其代表渗透性能相对较差的浅层渗滤系统，符合上海的实际情况，较为常见。模拟装置设置同结构１。填充好的３套模拟渗滤装置分别简称Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３。

１．３试验设计

试验分三阶段进行：（１）试验准备阶段。试验装置装填完毕，向内投加清水，连续渗流２周，使土样充分饱水，以改善土层的孔隙结构，同时淋洗混合土壤本底氨氮、重金属等，至渗流速度和污染物出流稳定。（２）试验启动阶段。本试验采用了降雨－落干交替的运行方式，维持土壤干湿交替环境的自然启动方式。（３）试验正式运行阶段。为了模拟自然条件下雨水径流在土壤中的下渗净化过程，在整个试验过程中，进水均采用间歇布水方式，降雨采用模拟降雨器均匀布水，计时器控制每天进水１ｈ，落干３ｄ。降雨强度是根据上海多年的降雨统计资料，选择多年年平均场降雨量１０．７２ｍｍ为一次试验的降雨量参考，同时考虑到不透水面汇入渗滤系统的雨水径流量，所以实际每次的进水强度为３５．７３ｍｍ。每次试验过程中间隔１～２ｈ取一次下渗的路面径流样品并测定其中的污染物浓度，最终出水浓度数据取几次出水的平均值，试验运行周期约为１ｄ。

１．４进水水质试验

用水取自中山北二路路面雨水口的实际雨水，该路段为水泥沥青路面，双向四车道，取样点处于道路转弯处，路面雨水径流经道路一侧的落水管排入地面雨水管接口，对应汇水面积约３００ｍ２，日均交通量约３００００辆。试验水质如表１所示。

２结果与分析

２．１ＣＯＤ的去除效果

渗滤系统对有机污染物的去除主要通过过滤截留、吸附和生物降解作用共同完成。图３为不同模拟渗滤系统按照１次进水落干３ｄ的水力负荷周期长期运行（约为１ａ）时ＣＯＤ的出水浓度和去除率。结果表明，各类型渗滤系统对公路雨水径流中ＣＯＤ具有较好的处理效果，出水浓度大都在１００ｍｇ／Ｌ以下，去除率基本在６０％～８０％。总的来说，进水在一定范围内波动，渗滤系统出水水质相对稳定，说明系统具有较强的抗负荷冲击能力，即便是对降雨产生的高污染初期雨水仍有很好的去除效果。其中结构２各模拟渗滤试验装置对ＣＯＤ的去除效果要明显好于结构１，添加煤渣的试验装置出水效果则要明显好于其他试验装置。渗滤系统对有机物的去除，首先与渗滤系统中土壤的组成和性质有关。由于粘土的颗粒细小、比表面积大、比表面能大，因此具有较强的吸附力［５］。它们通过对有机物质的物理、化学作用的截留吸附，使得大部分的有机物质被固定于渗滤系统的滤层中。以模拟渗滤装置Ｗ１为例，图４给出了试验期间渗滤装置上层土壤和下层土壤性质的变化情况。由图４可知，上层土壤有机质含量明显高于下层土壤。第一次进水前上层土壤有机质含量平均为１６．６ｍｇ／ｇ，经过数月的运行之后，升至２４．１ｍｇ／ｇ。下层土壤有机质变化相对较小，降雨结束之后仅比第一次降雨前增加了１．６７ｍｇ／ｇ。这进一步说明土壤截留是去除雨水径流中有机物的重要机制。当自然土壤中添加煤灰渣后，煤渣巨大的比表面积使滤床对污染物的吸附和截留作用有所加强，而且为微生物提供了更好的生存空间，一方面，土壤中的微生物利用其吸附的有机污染物和Ｎ、Ｐ物质作为自身的碳源完成生长代谢需求，进一步提高了系统对有机物的处理效果；另一方面，由于煤渣中含有一定比例的铁和碳，它们产生的微电解作用可能对有机污染物质去除也会起到一定的贡献。此外，渗滤系统的下层土壤结构对ＣＯＤ的去除也会产生较大的影响。结构１各模拟渗滤试验装置由于土壤质地没有明显分层，整个渗滤层人工土壤渗透性能好，没有渗滤限制，雨水在系统中的停留时间较短，出水水质相对较差；相反，结构２各模拟试验装置由于底部设有一层原状土层，土壤渗透系数小，延长了有机物吸附和生化反应时间，提高了ＣＯＤ的去除效果。